4.9. Проблема элементарных частиц в физике

Одним из принципиальных достижений физики двадцатого века было открытие сложной структуры не только атома, но и ядра. Это поистине поразительно, потому что даже атом, поперечник которого в 100 000 раз больше диаметра ядра, до сегодняшнего дня остаётся неразличимым, его нельзя разглядеть и в самый мощный электронный микроскоп.

Возможность дальнейшего проникновения вглубь вещества связана с созданием мощных ускорителей, позволяющих получать интенсивные пучки энергичных частиц. Обстреливая ими различные мишени и наблюдая за результатом этого обстрела, можно делать заключения о составе обстрелянного объекта. Чем больше энергия частиц-снарядов, тем более мелкие объекты можно изучать с их помощью (вспомните: чем меньше длина волны, тем больше разрешающая сила микроскопа). Природа даёт нам ещё одну возможность получения частиц высоких энергий: потоки их проникают из космоса в атмосферу Земли и носят название космических лучей, состав которых начали изучать в предвоенные годы.

За столетие, прошедшее со времени открытия в 1897 г. первой элементарной частицы — электрона, было открыто множество частиц (более двухсот), именуемых элементарными. Элементарные частицы, в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется не в своём точном значении, а в более широком смысле — для наименования мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами.

Массы покоя элементарных частиц принято выражать либо в массах электрона, либо в энергетических единицах (МэВ) по формуле Эйнштейна, связывающую массу и энергию.

Обращает на себя внимание тот факт, что, наряду с таким разнообразием масс, наблюдается удивительное однообразие зарядов элементарных частиц: они могут быть положительными, отрицательными и нейтральными, но заряд любой заряженной элементарной частицы в точности равен по величине заряду электрона, поэтому именно элементарный заряд е принят за единицу измерения заряда элементарных частиц.

Для каждой элементарной частицы определено и её время жизни t. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные (t > 10^–20 c) и нестабильные (t ~ 10^–22–10^–24 с). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 10²² лет), протон (t > 10³¹ лет), фотон и нейтрино [18].

Кроме массы, заряда, времени жизни каждая частица имеет собственный механический момент — спин L_S, который является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ. Естественно, если частица заряжена, то наличие спина влечёт за собой и наличие собственного магнитного момента. Есть и другие характеристики элементарных частиц (странность, чётность и др.), которые мы не рассматриваем в силу их специфичности.

Таким образом, общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса т, электрический заряд q, время жизни t и спин L_s. Для нестабильных частиц характерна также схема распада.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц — способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью подобны фотонам.

Первоначально элементарные частицы классифицировали по их массам: лёгкие — лептоны, средние — мезоны, тяжёлые — барионы.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим различают четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Они перечислены здесь в порядке убывания интенсивности, которая характеризуется их константами взаимодействия. Интенсивности перечисленных взаимодействий относятся как 1 : 10^–2 : 10^–10 : 10^–38 [18].

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разделены на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны характеризуются наличием у них сильного взаимодействия наряду с электромагнитным и слабым, лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. В гравитационном участвуют все, включая фотон.

Лептонов всего шесть: электрон e, мюон μ, τ-лептон; электронное, мюонное и τ-лептонное нейтрино: n_e, n_μ, n_τ. Нейтрино имеет массу покоя, близкую к нулю. Три сорта нейтрино несколько отличаются друг от друга по массе и не имеют заряда. Мюон обладает массой, составляющей примерно 273 массы электрона. Самый тяжелый лептон — τ-лептон, открытый в 1975 году. Он тяжелее электрона примерно в 4000 раз. Электрон и все нейтрино стабильны, время жизни мюона 2,2?10^–6 с, время жизни t-лептона 3,5?10^–13 с. Все лептоны имеют античастицы, при взаимодействии с которыми аннигилируют, то есть превращаются в кванты энергии — фотоны:

–1е0 + +1е0 .

(4.16)

Здесь в качестве примера приведена реакция превращения электрона и его античастицы — позитрона в два g-кванта.

Класс адронов значительно обширнее класса лептонов. В свободном состоянии они распадаются (кроме протона), то есть нестабильны. К адронам относятся мезоны — средние частицы, нуклоны — протон и нейтрон, и гипероны — тяжёлые частицы. Мезоны имеют массу, примерно в 300 раз превосходящую массу электрона, они различаются по знакам зарядов и по времени жизни. Мезоны сначала были обнаружены в космических лучах (С. Пауэлл, 1947 г.), а затем и на ускорителях при бомбардировке ядер ускоренными частицами. Согласно гипотезе японского физика Юкавы p-мезоны (современное название пионы) являются квантами ядерного поля, которое связывает вместе протоны и нейтроны. Три типа p-мезонов — положительные, отрицательные и нейтральные осуществляют три типа связей: протон-протон, нейтрон-нейтрон, нейтрон-протон.

Нуклоны — протон и нейтрон, составляющие ядро атома, обладают массой, не равной, но близкой к одной а.е.м. Они стабильны лишь внутри ядра. В свободном состоянии нейтроны быстро (в течение 12–15 минут) распадаются на другие частицы. Распад нейтрона происходит и в тяжёлых ядрах, что приводит к b-радиоактивности — превращению одного ядра в другое с испусканием электрона и антинейтрино:

0n1 ® 1p1 + –1e0 + 00.

(4.17)

Внутри ядра возможна и обратная реакция, при которой протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино:

Все реакции между элементарными частицами идут с выполнением законов сохранения массы, заряда, спина.

Нуклоны обладают полуцелым спином так же, как и все лептоны:

,

(4.19)

где L_S — собственный механический момент частицы (спин). Для электрона и нуклонов квантовое число . Если частица заряжена, то существование спинового механического момента естественно влечет за собой появление магнитного момента: магнитное поле вызывается движущимися зарядами. Но магнитный момент имеют и нейтральные адроны. Нейтрон, например, имеет магнитный момент, близкий по величине магнитному моменту протона: отношение этих моментов, как показывает опыт, m_п/m_р = – 0,685. Античастицы нейтральных частиц имеют противоположный по знаку магнитный момент.

Опыты, проведённые в 1960-х годах, показали, что нуклоны имеют внутреннюю структуру, и, следовательно, должны быть признаны скорее сложными, чем элементарными. Обстрел мишени из протонов (водорода) электронами, ускоренными в мощных ускорителях, дал возможность выявить внутри протонов частицы, соразмерные электрону. Действительно, выполнение закона сохранения импульса приводит к тому, что частица, ударившись о другую, значительно превосходящую её по массе, отскакивает от неё практически без потери скорости. Встретив же соразмерную себе частицу, она передаёт ей часть своего импульса, приводит её в движение за счёт своей собственной скорости. Если бы протоны были твёрдыми неделимыми частицами, электроны рассеивались бы ими абсолютно упруго. Однако этого не происходит. На основании этого американский физик Р. Фейнман выдвинул гипотезу о наличии внутри нуклонов частиц, которые он назвал партонами (part — часть). Масса партонов соизмерима с массой быстрых электронов, поэтому, сталкиваясь с партонами, электроны теряют скорость.

В 1964 г. швейцарский физик Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл–Ман (США) высказали гипотезу, согласно которой все адроны состоят из более мелких частиц — кварков.

Для образования мезона достаточно двух кварков: кварка (q) и антикварка (). Барионы составлены из трёх кварков. Протон и нейтрон образуются из трёх лёгких кварков с ароматами u и d; s-кварки нужны для образования более тяжёлых частиц — гиперонов.

Мезоны, составленные из двух кварков (), должны иметь либо нулевой, либо целый спин, как того и требует опыт. Нуклоны же, составленные из трёх кварков будут иметь полуцелый спин, опять-таки в полном соответствии с опытом. Но наиболее впечатляющее совпадение с опытом получено при сравнении отношения магнитных моментов нейтрона и протона, подсчитанных по кварковой модели, с опытным значением этой величины.

Нейтрон, для того, чтобы его заряд был равен нулю, должен состоять из одного u-кварка и двух d-кварков (n = udd). Протону положительный заряд, равный единице, обеспечивают два u-кварка и один d-кварк (p = uud) (проверьте!). Поскольку каждый кварк имеет магнитный момент, можно найти магнитные моменты нейтрона (и понять, почему он не равен нулю при отсутствии заряда!), и протона. Отношение этих моментов оказалось очень близким к опытному значению этой величины: m_п/m_р = – 0,667 » – 0,685 (см. выше).

Это совпадение явилось серьёзным подтверждением гипотезы кварков. Мы всегда подчёркивали, что истинность теории подтверждается не только совпадением её выводов с опытом, но и тем, насколько теория способна предсказать новые факты. Гипотезе кварков удалось это сделать. Поясним, как это произошло. Число различных частиц, составленных из трёх кварков, легко найти — это всего десять комбинаций:

В вершине этой пирамиды стоит самая тяжёлая частица из этого набора. По свойствам s-кварка можно предсказать не только массу, но и все остальные свойства этой частицы. Мы обращаем внимание именно на неё, поскольку к моменту опубликования гипотезы были известны лишь девять частиц указанной совокупности. Их свойства хорошо объяснялись их кварковым составом, но десятой частицы известно не было. Она была открыта в том же 1964 году, всего через несколько месяцев после опубликования гипотезы кварков. Её масса и другие свойства в точности соответствовали предсказанным. Эту частицу назвали W ^– (минус-омега-гиперон).

Казалось бы, теперь гипотезу можно считать теорией. Но для полного её подтверждения необходимо на опыте наблюдать частицы с дробным зарядом. Многочисленные повторения опытов Милликена и Иоффе [16] не дали положительных результатов. Частицы с дробными зарядами обнаружены не были, т.е. можно утверждать, что кварки в свободном состоянии не встречаются. Вполне вероятно предположить, что это происходит из-за очень большой энергии их связи внутри элементарных частиц. Разбить адроны на кварки пока не удаётся. Действительно, из соотношения неопределённостей следует, что энергия кварков внутри нуклона очень велика из-за малого значения неопределённости по координате:

, откуда .

(4.20)

Напомним, что неопределённость по импульсу Δp определяет минимальное вероятное значение самого импульса, а значит, и энергии р²/2т. Для обеспечения столь высокой энергии необходимо очень сильное кварковое поле, квант которого назван глюоном.

Минус-омега-гиперон не завершил цепь открытий в области элементарных частиц, хотя из трёх кварков можно построить только десять частиц. В 1974 году была открыта J/Ψ-частица (одновременно двумя исследователями, поэтому имеет двойное название). Для объяснения её свойств потребовался четвёртый, более тяжёлый кварк. Его назвали с-кварк (charm — очарование). В 1977 году открыли ещё более тяжёлую ¡-частицу. Она тяжелее протона в 10 раз. Это заставило предположить существование пятого кварка — b-кварка (beauty — красота). Последний из кварков — t-кварк — был открыт в 1994 году. Этот шестой кварк оказался очень короткоживущим, поэтому он «рождается и умирает свободным», то есть не принимает участия в образовании какой-либо частицы.

Кварки по своим свойствам группируются парами: u-d, s-c, b-t. Согласно существующим гипотезам, основанным на соображениях симметрии, число лептонов должно равняться числу элементарных кварков. В табл. 1 приведены обозначения и основные свойства 12 частиц, которые сегодня считаются истинно элементарными. Таблица 1

Класс	Обозначение			Заряд	Спин
Кварки	u d	c s	t b
Лептоны	ne e	nm m	nt t	0 –1

Являются ли эти двенадцать частиц последними неделимыми кирпичиками мироздания, сказать трудно. Вероятнее всего — нет. И, возможно, прав был Ньютон, когда писал, что деление составляющих вещество частиц является непрерывной последовательностью: «…мельчайшие частицы материи могут соединяться воедино благодаря очень сильному притяжению и составлять большие частицы, но обладающие меньшим совершенством, а эти последние могут снова объединяться и образовывать ещё большие частицы, но ещё менее совершенные, и эта непрерывная последовательность будет продолжаться до тех пор, пока дело не дойдёт до конца последовательности, до огромных частиц, от которых зависят процессы в химии, цвет природных тел и которые, объединяясь, дают сложные тела ощутимых размеров».

В заключение заметим, что вопрос об элементарных частицах изложен в стиле и на основе блестящих обзорных статей В. Гейзенберга, Я. Зельдовича и др. в журнале "Успехи физических наук" [10], [11], [12], [13], [14]. В тексте ссылки на каждую из них опущены.